循环流化床锅炉相控阵超声检测

1 超声相控阵检测技术的原理及特点

1.1 超声相控阵检测技术原理

超声相控阵检测技术是指通过一定的控制规律来实现超声波的收发，并通过对超声波阵列的排列方式、聚焦方式和能量转化来实现对工业材料的非破坏性检测。传感器是实现电能和声波能量相互转化的关键器件。它是以若干个相互独立的压电片为基本单元，通过预先设定的规律，使各个芯片单元共同工作，构成可调的波前。该方法利用超声波的发射和接收，实现了对被检测物体的探测。

1.2 超声相控阵检测的特点

超声相控阵技术可记录、存储被检物的数据与信号，并以图像形式直观呈现结果，便于检测人员直接判断。该技术能提供B、C、D、S 等多种扫描成像模式，相比传统方法更全面、直观，可对缺陷进行多角度精确定位，并将图像转为彩色，利于分析与存档，因而已广泛应用于工业无损检测领域。

2 在役循环流化床锅炉常见缺陷

循环流化床锅炉长期运行易出现多种故障，威胁其安全稳定。例如，水冷壁、过热器等部件磨损可致管壁减薄，严重时引发堵塞或爆管；组件间热膨胀差异可能导致开裂；尾部省煤器积灰严重则降低传热效率。此外，集箱、汽包等管件角焊缝在制造安装中易产生气孔、夹渣、未焊透等缺陷，并随时间推移扩大，增加安全隐患。

3 相控阵超声检测的优缺点

相控阵超声检测技术是一种新型的无损检测技术。本项目提出一种新的超声传感方法，通过电子学系统对多个超声换能器单元（即探针阵元）进行精密控制，使得每个阵元能够按照一定的时序进行超声波信号的收发，以达到对声波的灵活扫描、定向偏转和调焦等探测。

3.1 相控阵超声检测优点

3.1.1 高精度

相控阵超声检测技术在探测精度方面有着突出的优势。它的电子聚焦特性使声波光束能够准确的聚焦到被检测的区域，并且可以在不同的深度上灵活的调焦点。本项目的研究成果将进一步增强检测的灵敏度、分辨力和信噪比，能够更好的发现被测物体表面的细微缺陷和异常，进而提高检测的精度和可靠性。

3.1.2 高效能

相控阵传感器具有优良的波束控制特性，其波束方向准确、易于调整，可以同时进行多点探测。在探测时，可以采用扇形扫描方式，使多个角度的超声波同步发射，从而克服了常规探测方式中“之”字形来回运动的缺点。在实际应用中，只需要在焊缝上移动探针，就可以实现对焊缝全范围的覆盖，大大提高了检测的效率，并能有效地减少总的检测时间。

3.1.3 适应性强

相控阵超声检测技术具有较强的普适性，可以根据不同材质和不同结构的被测物体进行适应性调整。这种方法特别适用于处理具有复杂外形的零件，如汽轮机叶片的叶根区；而常规超声探测由于声束角是固定的，往往有较大的探测盲区，容易造成缺陷的漏检。同时，该方法不需要依靠传统的“Z”型扫描通道，可以实现对空间有限、人工超声波无法探测到的区域的全面、准确的检测。

3.1.4 直观性

相控阵检测具有丰富的成像方式，可以同时输出 B 扫描、D 扫描、S 扫描和 C 扫描等探测图像。它可以在 CAD 辅助下，准确地绘制出与真实焊缝坡口等效为 1：1 的工程图纸，并且为 3D 实体建模提供支持。当检测到缺陷时，该系统可以在焊缝模型上直观地显示缺陷，大大提高了缺陷定位和形态的直观性。

3.2 相控阵超声检测缺点

3.2.1 设备昂贵普及率低

当前，由于其技术集成度高、研发和制造费用高、对操作者的专业技能要求高，造成了设备造价高、市场普及率低等问题。

3.2.2 操作人员技能要求高

由于涉及到复杂的电子学和复杂的数据处理技术，相控阵超声检测对操作者的业务素质提出了更高的要求，需要掌握参数设定、设备操作和结果判读等技术。这一技术门槛既加大了使用者的学习成本，也加大了其使用的困难，同时也使特殊装备行业对其二级资质的认证标准更加苛刻，更加重了专业人员的匮乏，已成为限制该项技术普及的重要瓶颈。

3.2.3 缺陷定性困难

虽然相控阵超声在缺陷定位和定量表征上具有明显的优势，但其在缺陷类型识别、成因判定和材料属性解析等定性评价中的应用还存在不足。另外，在使用横向扫查模式时，为了满足工业检验标准，需要进行更加密集的扫描作业，并且需要对焊接面的平直度进行仔细的打磨，以保证测试结果的精度和可靠性。

4 循环流化床锅炉相控阵检测

4.1 常见无损检测

在役循环流化床锅炉内检中，通常采用超声探伤与磁粉探伤相结合的方法。其中，超声探测技术尤其适合探测隐藏在焊缝中的缺陷，其穿透性强，对大面积缺陷检出率高，操作方便。但是，这种方法对测试人员的经验要求很高，在对结构比较复杂的零件进行测试时，会遇到一些困难，而且测试结果也不能直接显示。《承压设备无损检测第 15 部分 ： 相控阵超声检测》（GB/T47013.15-2021）于今年8 月26 日正式执行，将相控阵列超声检测技术推广到锅炉内部检查。磁粉探伤是一种常用的无损探伤方法，它是一种无损探伤方法。

4.2 相控阵超声检测主要应用范围

根据 TSG11-2020《锅炉安全技术规程》，运行时长超 50000 小时的热电联供锅炉，其筒体纵、环向焊缝需进行超声探伤，抽查率分别为 20% 和 10% ；集流管及给水管道座角焊缝须 100% 检测；条件允许时，可检查出口联箱的进口管桥区域。此外，蒸汽主联箱、主蒸汽管、再热蒸汽热段、主给水管及再热冷段管道的对接焊缝也需超声检测。目前，相控阵技术已广泛应用于在役循环流化床锅炉，适用于平板、管件对接及管道座角焊缝。然而，国内对压力容器角焊缝的管理多集中于焊后检查，在坡口检测、工艺控制及人员资质等方面仍存不足。为提升周期性检查中角焊缝缺陷的检出能力，亟需加强相控阵扫描技术在锅炉内检中的应用与推广。

4.3 相控阵超声检测主要难点

当前，基于相控阵超声检测的电站锅炉内检技术已逐渐成熟，但是在实际运行中还面临着以下几个技术难题：（1） 受限于锅炉的内部结构，当对接点处进行检测时，弯曲段的弯曲将影响其正常工作，造成探针与楔体之间的耦合失稳，无法实现连续 C 扫描，通常需要人工采集。（2） 管角焊缝的测量中，由于没有专门的扫描设备，很难准确地记录扫描轨迹的长度。在扫描过程中，由于楔块 - 工件接触表面的圆弧在不停地发生变化，容易影响到两个零件之间的耦合关系。此外，由于工件弯曲变形等原因，在检测系统中所反映出的缺陷位置会有很大的偏离，从而降低了缺陷的定位精度。（3） 针对集箱接管、集汽集箱接管、入口集箱接管等关键位置，采用有限元模拟与实测对比相结合的手段，将大大增加试验评价的技术复杂性与实现难度。

结束语

当前，相控阵技术凭借其可调焦探针及图像清晰、直观、高效等优势，正逐步替代常规超声检测，广泛应用于在役循环流化床锅炉的周期性检查。然而，受锅炉内部结构复杂、合适安装位置难寻，以及大曲率弯头焊缝易产生定位误差等工程因素影响，该技术的应用仍需结合现场实际不断优化完善。

参考文献：

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